25
سپتامبر

آسانسور بدون سیم بکسل

واحد R&D سما آسانبر دانش بنیان

خلاصه:

در حال حاضر آسانسورها شامل اتاقک و وزنه تعادل متصل به انتهای یک کابل هستند که توسط چرخک­ها حرکت می­کنند که دارای معایب بسیاری می باشند مانند استفاده از سیستم تعادل که فضای بیشتری را اشغال کرده که باعث می­شود موتورها برای بالا و پایین بردن آسانسور قدرت بیشتری را مصرف کنند و همچنین نیاز به کنترل‌کننده­های سرعت و گردش (دور) موتور دارند. این نوع آسانسورها نیاز به اتاق ماشین (موتورخانه) دارند که موتورهای الکتریکی بزرگ و اتاقک کنترل‌کننده، ریز پردازنده الکترونیکی و رله مکانیکی در آن‌ها قرار می­گیرند. استفاده از طناب و قرقره موجب افزایش هزینه می­شود و مقدار زیادی روغن به منظور روان کننده حرکت استفاده می­شود. این پروژه باعث پیاده­سازی جدیدی می­شود که از آسانسور بدون کابل و موتور استفاده می­کند. این پروژه بر اساس اصل الکترومغناطیسی قانون فارادی است که در آن آهنربای دائمی و الکترومغناطیسی نقش حیاتی دارند. با اصلاح مفهوم کنونی، ما می­توانیم مزایای استفاده از آن را داشته باشیم: انرژی مؤثر بیشتر از سایر آسانسورها؛ زیرا از توان زیادی استفاده نمی­کند که توسط موتور مصرف می­شود، روغن زیادی نیاز نیست و تابلو عملیات به نرمی عمل می­کند. این نوع آسانسور به فضای کمتری نیاز دارد زیرا از موتورهای الکتریکی و اتاق کنترل (موتورخانه) برای بهره­برداری استفاده نمی­کند. همچنین وزنه تعادل استفاده نمی­شود که هزینه کلی را کاهش می­دهد. به موتورخانه نیازی نیست.

1- مقدمه:

در آسانسور­های معمولی، سیستم­های هدایت مکانیکی به صورت راه­های لغزنده یا غلتک­ها استفاده می­شوند. با این حال، در مقایسه با راه حل­های غیر رسمی الکترومغناطیسی چارچوب (اسکلت) معمولی دارای معایب بسیاری است از جمله: راندمان کم، ضعف بیشتر و نیاز به روان کاری مکرر و تعمیر و نگهداری منظم، نوسان و سر و صدا بیشتر اتاقک آسانسور. به طور خاص، مهم است که فاصله هوايي موتور خطي ثابت باشد که بر ميزان نيروي حرکتي تأثير مي­گذارد؛ بنابراین، فناوری­های تعلیق مغناطیسی با محرک (فعال­کننده) الکترومغناطیسی به منظور هدایت آسانسور برای جلوگیری از مشکلات ارتعاش و اختلالات اتاقک آسانسور بکار می­رود. به این معناست که آسانسورهای معمولی با سیستم‌های هدایت مکانیکی به علت نیازهای بسیار بالای این ساختمان­ها محدودیت­های کاربردی دارند. بهبود عملکرد عملیاتی چنین سیستم­های آسانسور با استفاده از هدایتگرهای الکترومغناطیسی بدون سایش و روان ساز به جای هدایتگرهای اسلاید یا غلتکی امکان پذیر است. این کار با پیشنهاد‌های مختلف برای هدایت الکترومغناطیسی سیستم‌های حمل و نقل عمودی امکان پذیر است. این نیز پاسخ به تکنیک آسانسورهای بدون سیم بکسل به عنوان یک مثال کاربردی برای هدایتگرهای فعال مغناطیسی است.

شکل 1: سیستم هدایت الکترومغناطیسی ترکیبی.

محرک­های الکترومغناطیسی ترکیبی در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل، الکترومغناطیس با آهنرباهای دائمی (PM) مجهز شده که یک مغناطیس با تنظیمات خاموش شدن را فراهم می­کنند. به این الکترومغناطیس­ها می­توان به دو روش متفاوت تقریبی انرژی داده شوند. در این مقاله، این روش­ها به عنوان روش­های یک طرفه و دو طرفه کنترل، نامیده می­شوند.

با توجه به قانون دوم نیوتن، معادله حرکت یک سیستم هدایت یک طرفه به صورت معادله (1) است.

که در آن ، ، ،  و  به ترتیب طول فاصله هوایی، مشتق دوم فاصله هوایی، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی الکترومغناطیسی عملگر مخالف با جریان ثابت یا PM و نیروی اختلال خارجی را نشان می­دهند. به دلیل اینکه مقاومت مغناطیسی بین ریل­های هدایتگر و الکترومغناطیس ناچیز است، بی اختیار جریان مغناطیسی تولید شده بین الکترومغناطیس و ریل­های هدایتگر بر روی شکاف هوایی بین آن‌ها متمرکز می­شود. بنابراين جریان مغناطیسی مؤثر شکاف هوايي به شرح زير است:

که در آن  و  به ترتیب ضریب تراوایی (نفوذ پذیری) خلأ و شکاف هوایی می­باشند. در نتیجه نیروی کششی به صورت معادله (3) محاسبه می­شود.

که در آن  تعداد دورهای سیم­ پیچ­ها و   جریان تجهیزات هدایت تکی می­باشند.

  1. انواع آسانسور

2.1 آسانسورهای هیدرولیک (آسانسورهای فشار)

آسانسورهای هیدرولیک توسط یک پیستون در پایین آسانسور پشتیبانی می­شوند که آسانسور را بالا می‌برند. آن‌ها برای کاربردهای کم ارتفاع 2-8 طبقه استفاده می­شوند و با سرعت حداکثر  می­توانند حرکت کنند. اتاق ماشین برای آسانسور هیدرولیکی در پایین‌ترین سطح مجاور شفت آسانسور واقع شده است.

2.2 آسانسورهای کششی (آسانسورهای کشش)

آسانسورهای کششی توسط طناب­ها بالا برده می­شوند که به بیش از یک چرخ متصل به یک موتور الکتریکی بالای شفت آسانسور قرار می­گیرند. آن‌ها برای کاربردهای ارتفاع زیاد استفاده می­شوند و سرعت حرکت بسیار بالاتری نسبت به آسانسور­های هیدرولیکی دارند. وزن تعادل، آسانسورها رو مؤثرتر می­نمایند.

2.3 آسانسورهای کارگاهی

آسانسورهای کارگاهی، دستگاه موتور خود را بر روی خودشان، عمدتاً موتور الکتریکی یا موتور احتراق (سوخت)، نگه می­دارند. آسانسورهای کارگاهی اغلب در مناطق کار و ساخت و ساز استفاده می­شوند.

2.4 آسانسورهای بادی

آسانسورهای بادی با کنترل فشار هوا در یک محفظه که در آسانسور نشسته است، بالا و پایین می­روند. با اصول ساده فیزیک، اختلاف فشار هوا در بالا و پایین اتاقک آسانسور خلأ، عیناً حمل اتاقک توسط هوا صورت می­پذیرد. این پمپ‌های خلأ یا توربین­ها هستند که از طریق انتشار آهسته فشار هوا که به پایین اتاقک شناور است اتاقک را به طبقه بعدی می­کشند. آن‌ها به دلیل طراحی جمع و جور، به خصوص برای خانه­های موجود ایده آل هستند زیرا به چاه آسانسور نیازی نیست.

  1. ساخت و ساز و عملکرد آسانسور بدون سیم بکسل ، آسانسور الکترومغناطیسی

3.1 واحد کنترل

PIC18F4480  یک میکرو کنترلر 8 بیتی است و با فناوری نانو WATT پیاده سازی شده است، از این رو برای عملیات آن نیاز به قدرت بسیار کم دارد. همچنین دارای 16 بیت دستورالعمل تنظیم معماری (ISA) است که آزادی را برای برنامه نویسان با انواع داده­های مختلف ثبت، دستورالعمل، حافظه معماری، حالت­های آدرس، وقفه و عملیات IO فراهم می­کند.

مشخصات حافظه و پایداری: PIC18F4480 دارای 256 بایت EEPROM (حافظه الکتریکی قابل خواندن فقط قابل پاک کردن و قابل برنامه‌ریزی است)، 2 کیلو بایت SRAM (حافظه ثابت) و 32 کیلو بایت حافظه فلش است که در عوض درجه آزادی دیگری را  برای برنامه نویسان ثابت می­کند.

خود برنامه ­ریزی:

این دستگاه­ها می­توانند با استفاده از کنترل نرم‌افزار داخلی، فضای حافظه برنامه خود را بنویسند. با استفاده از یک برنامه بارگذاری بوت در بلوک محافظ بوت در بالای حافظه برنامه، امکان ایجاد یک برنامه کاربردی وجود دارد که می­تواند خود را در این زمینه به­ روز رسانی کند.

مجموعه دستورالعمل قابل تعمیم:

خانواده PIC18F4480 یک فرمت اختیاری را برای مجموعه دستورالعملPIC18  معرفی می­کند که 8 دستورالعمل جدید و یک حالت Addressing را اضافه می­کند. این برنامه افزودنی که به عنوان یک گزینه پیکربندی دستگاه فعال شده است، به طور خاص طراحی شده است تا به بهینه‌سازی دوباره باز پرداخته شود.

شکل 2: نمودار روند نما

کد برنامه توسط زبان‌های سطح بالا، مانند C نیز توسعه داده شده است.

مدل پیشرفته CCP:

در حالت PWM، این ماژول خروجی­های مدولاسیون 1، 2 یا 4 را برای کنترل نیم پل و پل کامل فراهم می­کند. ویژگی‌های دیگر عبارتند از خاموش کردن خودکار، برای غیرفعال کردن خروجی­های PWM در وقفه یا سایر شرایط انتخاب و راه اندازی مجدد خودکار، برای فعال­سازی مجدد خروجی­ها پس از اینکه وضعیت پاک شد.

آدرس دهی USART:

این ماژول ارتباطی سریالی قادر است از عملکرد استاندارد RS-232 پشتیبانی کند و پروتکل LIN / J2602 را پشتیبانی می­کند. سایر پیشرفت­ها شامل تشخیص خودکار میزان سرعت و یک باند فرکانس 16 بیتی برای بهبود وضوح می­باشد. هنگامی که میکرو کنترلر از بلوک نوسانگر داخلی استفاده می­کند، EUSART عملیات پایدار را برای برنامه­های کاربردی که امکان صحبت با دنیای خارج را بدون استفاده از یک کریستال بیرونی (یا نیاز مصرف انرژی آن) فراهم می­کند.

مبدل 10 بایتی A/D:

این ماژول ترکیبی شامل زمان استفاده برنامه‌ریزی شده است، اجازه می­دهد که یک کانال انتخاب شود و یک تبدیل بدون منتظر شدن برای شروع یک دوره نمونه برداری آغاز شود و بنابراین کد بالاسری (overhead) کاهش می­دهد.

تایمر نگهبان قابل تعمیم (WDT):

این نسخه پیشرفته 16 بیتی، اجازه می­دهد تا محدوده زمانی وقفه از 4 میلی ثانیه به بیش از 131 ثانیه برسد که این در سراسر برنامه پیشرفته فلش پایدار است و 1 کیلو بایت حافظه دسترسی دوگانه برای USB برای میانگیری (buffering) استفاده می­شود.

PIC18F4480 شامل 13 کانال (تا 13 کانال) برای مبدل آنالوگ به دیجیتال است. دقت مبدل 10 بیتی برای تبدیل آنالوگ به سیگنال دیجیتال نسبتاً متغیر است.

3.2 مغناطیس دائمی

نئودیمم آهن بور (NdFeB) نوع دیگری از مواد نادر مغناطیسی زمین است. این ماده خواص مشابه با ساماریم کبالت دارد به جز اینکه آن را به راحتی اکسید می­کند و به طور کلی دمای مقاومت مشابهی ندارد. آهنرباهای NdFeB همچنین دارای بالاترین محصولات انرژی نزدیک به 50MGOe هستند. این مواد پر هزینه هستند و به طور کلی به علت هزینه بالا در برنامه­های بسیار انتخابی (خاص) مورد استفاده قرار می­گیرند. هزینه نیز توسط حقوق مالکیت فکری توسعه دهندگان این نوع آهنربا هدایت می­شود. محصولات انرژی بالا خود را به طرح­های جمع و جور تبدیل می­کنند که به برنامه­های نوآورانه و هزینه­های تولید پایین­تر منجر می­شود. آهنرباهای NdFeB بسیار خورنده هستند. درمان سطحی توسعه یافته است که به آن‌ها اجازه می­دهد تا در اکثر برنامه­های کاربردی استفاده شوند. این درمان­ها شامل طلا، نیکل، روی و قلع و پوشش رزین اپوکسی است.

  1. نتیجه

هدف از پروژه ما این است که آسانسور الکترومغناطیسی بدون سیم بکسل بدون استفاده از موتور قدرت بالا، طناب و وزن تعادل ارائه شود. ما می‌توانیم با استفاده از الكترومغناطیس به آسانسور بدون سیم بکسل دست یابیم و برای این نوع آسانسور یک محدوده وسیع وجود دارد.

منبع:

[1] Chaitali Mahale, Dr. V .G. Neve, Banasharifian, Ankita Borban, “A new Technique of Rope Free, Motor less Elevator using Electromagnetic Principle”,Imperial journal of Interdisciplinary Research, Vol-3, Issue-9, 2017.

گردآورنده: کارشناس ارشد فیزیک هسته­ای مهندس کامران کشیری